(57)【要約】【課題】加熱および加圧されて溶融するトナーの溶融挙動を効率的かつ的確に判別する。【解決手段】基台１の支持部１１に被溶融物Ｗとしてトナーを載置し、移動ステージ３によって透明体ブロック２を矢印Ｒの方向へ移動させてトナーを押しつぶす。透明体ブロック２は、平板状の透明石英ガラス２０の背面側にスパッタリング等によって透明導電膜２１を成膜したもので、透明石英ガラス２０の全面を制御性が良く短時間で均一に高精度で加熱することができる。加熱された透明体ブロック２によって押しつぶされたトナーは、透明体ブロック２と基台１の支持部１１の間で溶融し、その過程をハイスピードカメラ４によって透明体ブロック２を通して撮像する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶融物が載置される支持部を有する基台と、前記基台の前記支持部に対向する第１面を有する透明板と、前記透明板の前記第１面の背面側の第２面に被着された透明導電膜と、前記透明板を前記基台に向かって移動させて前記第１面を前記被溶融物に当接し、加圧するための移動手段と、前記透明板の前記第２面の前記透明導電膜に電力を供給し、抵抗加熱によって前記透明板を加熱するための電力供給手段と、前記透明板によって加熱および加圧されて溶融する前記被溶融物を、前記透明板を通して撮像する撮像手段とを有する溶融挙動観察装置。
【請求項２】
前記透明板の第１面に透明ゴムが積層されていることを特徴とする請求項１記載の溶融挙動観察装置。
【請求項３】
前記被溶融物がトナーであることを特徴とする請求項１または２記載の溶融挙動観察装置。
【請求項４】
加熱されて溶融するトナーの溶融挙動を観察する溶融挙動観察方法であって、
トナーが載置された基台に透明板を対向させる工程と、
基台上のトナーに対向する透明板の背面側に被着された透明導電膜に電力を供給し、透明板の全面を抵抗加熱によって所定の温度に加熱する工程と、
加熱された透明板を基台上のトナーに向かって移動させる工程と、
加熱された透明板を押しつけてトナーを溶融する工程と、
溶融するトナーを、透明板を通して撮像手段によって撮像する工程と、を有することを特徴とする溶融挙動観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧および加熱によって溶融する樹脂やトナーの溶融挙動を、リアルタイムに観察することのできる溶融挙動観察装置および溶融挙動観察方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、加熱接着樹脂等の溶融状態を観察する装置としては、例えば図５に示す構成が知られている。これは、特開平０１−２６７０２７号公報に開示されたもので、印刷配線板の積層体１０５の最上層の樹脂を溶融させてその溶融状態を観察するに当り、円柱形の透明ガラス１１０を内側に固定したブッシュ１１１を用いて、このブッシュ１１１に巻き付けられた加熱ヒータ１１２により、まずブッシュ１１１を加熱し、ブッシュ１１１からの熱伝導を利用して、ブッシュ１１１と接触している円柱透明ガラス１１０を加熱し、加熱された円柱透明ガラス１１０の熱で樹脂を加熱するとともに、円柱透明ガラス１１０とこれを内蔵するブッシュ１１１やブッシュ１１１を固定するためのブラケット類１１３、１１４の重さにより、昇温樹脂を加圧することで溶融させ、その溶融状態を、対物レンズ１０９を有する顕微鏡１０８によって観察する方法である。
【特許文献１】特開平０１−２６７０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の技術によれば、側面から加熱した円柱透明ガラスの熱伝導による加熱方法であるため、まず、樹脂を溶融させる部分の温度制御性が悪いことが挙げられる。すなわち、金属のブッシュの外周に加熱ヒータを巻き付け、そのブッシュの内側に円柱透明ガラスを組み付けているので、ヒータからブッシュ、そして円柱透明ガラスの外周部から内部方向へと接触による熱伝導による加熱が支配的であるため、以下の理由で、温度制御性が悪い。
【０００４】
まず、熱伝導する各材料間で接触部と非接触部が存在し、さらに構造や材料によっては熱容量、熱膨張の差があり、加熱実験をするたびに各部材（ヒータと金属ブッシュと円柱ガラス）の接触状態が変わって熱伝導による熱量がその都度に変わり、その結果、溶融させる樹脂に接触する円柱ガラスの温度を予測することが難しい。つまり、ヒータの設定温度を制御しても、実際に溶融させる円柱ガラスの部位の温度は実験するたびの各部材の接触状態等に左右され、被溶融物が何度で溶融しているのか正確にわからない問題がある。つまり金属ブッシュに巻きつけるヒータの温度と実際に押し付ける部位の温度との相関関係が線形的な関係でないためヒータの温度を何度に設定したからといって樹脂を押し付ける部位の温度は推定できない。
【０００５】
また、各材料が熱膨張するため、加熱されたブッシュが熱膨張しその熱膨張したブッシュが円柱透明ガラスに圧力をかけ、ガラスが割れたり、また、円柱透明ガラスがひずみ、コントラストの悪い画像が撮像されるおそれがある。
【０００６】
特に、体積の大きい円柱形のガラスを用いた場合は、熱膨張による変形量が大きくなり厚みの差による収差が大きく良好な画像は得られない。
【０００７】
さらに、加熱時間に関しては、熱伝導効率が不確かで重りとなる各部材の熱容量が大きいため相当な時間がかかり、その結果、溶融させる樹脂の温度にも、端部は高温で中央部は低温といった温度分布が生じ、特定温度で樹脂の全面を短時間に均一に加熱し、溶融観察するのが困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、トナー等の被溶融物に押し当てる基体を短時間で所定の温度に加熱し、そのトナー等の溶融挙動を適正に判別することのできる溶融挙動観察装置および溶融挙動観察方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の溶融挙動観察装置は、被溶融物が載置される支持部を有する基台と、前記基台の前記支持部に対向する第１面を有する透明板と、前記透明板の前記第１面の背面側の第２面に被着された透明導電膜と、前記透明板を前記基台に向かって移動させて前記第１面を前記被溶融物に当接し、加圧するための移動手段と、前記透明板の前記第２面の前記透明導電膜に電力を供給し、抵抗加熱によって前記透明板を加熱するための電力供給手段と、前記透明板によって加熱および加圧されて溶融する前記被溶融物を、前記透明板を通して撮像する撮像手段とを有する。
【００１０】
前記透明板の第１面に透明ゴムが積層されているとよい。
【００１１】
前記被溶融物がトナーであるとよい。
【００１２】
本発明の溶融挙動観察方法は、加熱されて溶融するトナーの溶融挙動を観察する溶融挙動観察方法であって、トナーが載置された基台に透明板を対向させる工程と、基台上のトナーに対向する透明板の背面側に被着された透明導電膜に電力を供給し、透明板の全面を抵抗加熱によって所定の温度に加熱する工程と、加熱された透明板を基台上のトナーに向かって移動させる工程と、加熱された透明板を押しつけてトナーを溶融する工程と、溶融するトナーを、透明板を通して撮像手段によって撮像する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
透明板の全面を、トナーや樹脂等の被溶融物に対向する第１面の背面側の第２面に被着された透明導電膜によって直接加熱し、均一に所定の温度で安定するまで昇温させたのち、透明板を被溶融物に向かって移動させて被溶融物を押しつぶして溶融させ、溶融状態の被溶融物を透明板の背面側から透明板を通してハイスピードカメラによって撮像する。
【００１４】
トナーや樹脂に当接される透明板の第１面をその背面側から透明導電膜によって直接加熱するものであるため、被溶融物を支持する基台側や透明板の周囲から熱伝導により加熱する場合に比べて、被溶融物を溶かす部位の温度制御性／再現性／均一性がよく、さらに所定の温度に昇温するまでの透明板の加熱時間を大幅に短縮できる。
【００１５】
このようにして、短時間で溶融させるトナー等の被溶融物の溶融挙動を、効率的かつ適正に判別することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は一実施の形態による溶融挙動観察装置を示すもので、これは、トナーや樹脂等の被溶融物Ｗを載置する基台１と、基台１に対向して配設された透明体ブロック２と、透明体ブロック２を矢印Ｒの方向へ移動させて被溶融物Ｗを加圧する移動手段である移動ステージ３と、透明体ブロック２を通して被溶融物Ｗを撮像するハイスピードカメラ４および照明光学系５、６を備えている。透明体ブロック２は透明板である透明石英ガラス２０を有し、その一方の面（第２面）には透明導電膜２１、他方の面（第１面）には透明ゴム２２が積層されており、透明導電膜２１に、電力供給手段である定電圧電源２３から電力を供給することによって透明体ブロック２の全面を抵抗加熱で加熱する。この透明体ブロック２の透明ゴム２２を被溶融物Ｗに押し付けて、透明体ブロック２を通して被溶融物Ｗを撮像手段であるハイスピードカメラ４によって撮像し、透明体ブロック２によって加圧および加熱される被溶融物Ｗの溶融状態を観察する。
【００１７】
被溶融物Ｗは、例えば熱接着樹脂あるいはトナー等の、加熱および加圧されて溶融するものである。
【実施例１】
【００１８】
溶融する被溶融物Ｗはトナーである。トナーは、基台１の支持部１１に設置される。支持部１１には、トナーを設置する載置面が直径１０ｍｍの円形状である透明シートと、これをバキュームし固定する機能と、透過照明光学系６の光源である光ファイバー６０や光学フィルター６１を組み付けるための機構と、押し力計測センサー７が、レイアウトされている。
【００１９】
基台１に設置されたトナーに対して、透明体ブロック２がベース１０上の移動ステージ３により移動してトナーに衝突し、押しつぶす。このように押しつぶす際、透明導電膜２１によって透明石英ガラス２０が均一な温度に加熱されているため、移動ステージ３がトナー方向に移動する時に生じる加圧力をもってトナーが押しつぶされて溶融する。
【００２０】
移動ステージ３の図示しないアクチュエータにはサーボ制御のピエゾモジュールを用い、０．１μｍ分解能のリニアスケールでのフィードバック制御を行う。トナー搭載面を前記のように直径１０ｍｍの円形状とした理由は、透明体ブロック２を移動させる移動ステージ３の加圧力をなるべく小さくすることで、加圧した際の慣性力の影響を低減し、応答性を早くするためである。またこのために、透明石英ガラス２０やそれを支えるブラケットの重量をできるだけ軽量化するのが望ましい。そこで、透明石英ガラス２０の厚さを０．７ｍｍ（４０ｍｍ角）とすると、ガラス取り付け部材を含む移動ステージ３に負荷される全重量は１Ｋｇとなり、移動ステージ３の慣性力の影響と応答性に問題が生じないことが確認できた。また波及効果として、透明石英ガラス２０が厚み０．７ｍｍと薄肉化することで、ガラス厚さに依存する画像のコントラスト性も良好であることが分かった。
【００２１】
すなわち、透明石英ガラス２０のトナー衝突面には透明ゴム２２が接着され、また反対面には、透明導電膜２１が成膜されており、透明石英ガラス２０は、４０ｍｍ角で厚み０．７ｍｍの、両面研磨された透明ガラスである。
【００２２】
透明ゴム２２の材質はＬＴＶ（低温硬化型）ゴムを用いて、厚み３００μｍ、硬度４０度（ＪＩＳ  Ａコード）の特性を有するゴムを、透明石英ガラス２０のトナー衝突面に積層した。
【００２３】
透明導電膜２１は、スパッタリングで成膜した、膜厚２００Å、膜厚分布５％以下、抵抗３０Ω・ｃｍ、透過率８６％以上の特性を有するＩＴＯ膜を用いた。透明導電膜２１は、定電圧電源２３にて電力が供給されることによって、抵抗加熱され、透明石英ガラス２０と透明ゴム２２全面を所定の温度に加熱することができる。
【００２４】
この加熱の際、加熱温度をモニタするために、透明ゴム２２の表面に熱電対２４を接触させて組み付け、温度計２５にてゴム面の温度を監視し、設定温度になるように定電圧電源２３の出力電圧を調整した。
【００２５】
図２は、透明体ブロック２の取り付け構造を示すもので、移動ステージ３と一体であるガラス台下部ベース３１上で透明体ブロック２が背面プレート３２に押し当てられ、ガラス押さえ３３で締め付けられる。背面プレート３２はガラス台下部ベース３１に設けられた機械加工の突き当て面で位置決めされる構造である。背面プレート３２が位置決めされれば、透明体ブロック２も背面プレート３２に押し当てる構造のため、位置決めされることになる。その際、ガラス押さえ用バネ３４を介在させることにより、ガラス押さえ３３の締め付け方向にバネによる逃げを設ける。
【００２６】
透明体ブロック２の上端は、ガラス押さえ３５によりガイド３６にて位置決めされながら下向きに押さえられる。その際、ガラス押さえ用バネ３７を介在させることにより、上下方向にもバネによる逃げを設ける。
【００２７】
このようにして、透明体ブロック２は、前後方向と上下方向に位置決めされるが、各方向にはバネによる逃げがあり、また左右方向は自由端構造であるため、熱膨張により寸法変化が生じてもストレスが緩和され、クラックや割れの心配がない構造で組み付けられている。
【００２８】
撮像系には、ハイスピードカメラ４と同軸落射照明光学系５を備えた直筒５１を組み合わせた。ハイスピードカメラ４は、２０００ｆｐｓで、直筒５１内の対物レンズ５２は２０倍の長作動距離タイプを用い、移動する透明体ブロック２のレイアウトを容易にした。
【００２９】
同軸落射照明は、メタルハライドランプ１８０Ｗを使用し、光ファイバー５０により直筒５１に導入し、トナーを照明した。
【００３０】
透過照明光学系６は、トナーの背面（撮像側と反対側）から照明するもので、光ファイバー６０によりメタルハライドランプ１８０Ｗを導入した。この透過照明は、光学フィルター６１により、様々な光学特性を有する光による照明が可能なように工夫した。すなわち、円偏光フィルターを用い、微小な凹凸やエッジ強調などができるように配慮した。
【００３１】
トナーを載置する基台１の透明シートにはＯＨＴ用紙を用い、照明は、上記のように同軸落射と透過照明のダブル照明法を用いた。
【００３２】
透明ゴム面のトナー溶融部分の所定温度は１６０度、押し付け力は１．６Ｋｇ／ｃｍ2 で、押し付け力の計測には、圧電タイプ（水晶）の押し力計測センサー７を用いた。熱電対２４には、厚さ２０μｍの極薄タイプのＫ型熱電対を用い、カプトンテープにてゴム面に貼り付けた。
【００３３】
まず、以下のように、透明石英ガラス２０の温度分布と設定温度までの昇温時間を調べた。
【００３４】
図３は、透明石英ガラス２０に接着した透明ゴム２２を平面的に見た図で、アルファベットＡからＩで示す各ポイントは、熱電対２４をカプトンテープで貼り付けて温度を計測した場所を表す。図中の外側の四角は４０ｍｍ角の透明石英ガラスを示し、内側の四角は、トナー溶融に必要な部位を示しており、透明ゴムが成形された透明石英ガラスの支持体から外れている実際に光学観察するための１５ｍｍ角エリアの窓部である。
【００３５】
定電圧電源２３の設定出力電圧と経過時間、そしてその時の各ポイントでの温度を調べた結果を表１に示す。トナーを溶融させるためのゴム温度１６０度に各ポイントが均一に昇温するまで加熱した。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１においてまず、設定出力電圧１４Ｖで、３０秒後は各ポイント間の温度差が大きくて、４５度から４６．８度の分布を示した。その３０秒後から、出力電圧を１８Ｖに上げて、６０秒後、すなわち昇温開始からトータル３０＋６０＝９０秒後の計測値のばらつきは、中央部で９０．５度、端部の最低温度で８８．６度であり、１．９度のばらつきを示した。
【００３８】
このように段階的に供給電圧を上げていったところ、定電圧電源２３からの供給電圧が２８Ｖで目標温度１６０度に達したので、この電圧設定でさらに６０秒放置したところ温度は飽和状態であることを確認した。
【００３９】
３００秒後の安定した温度状態での温度分布は、最高温度と最低温度の差が、１．３度という分布になった。つまり設定温度１６０度で、温度分布１．３度にするまでの加熱時間３００秒という結果となった。
【００４０】
この実験を繰り返し実施した結果、毎回実験ごとに安定して定電圧電源の供給電圧２８Ｖで１６０度±１度となった。これは実験で用いたトナーを溶融するには十分な温度／温度分布であり、所定温度の再現性がいいことがわかった。
【００４１】
表２は、実験を実施した日が違う温度測定データである。定電圧電源の最終設定電圧は２８Ｖで３００秒後の各ポイント（４角、センターの５点）の到達温度を示した。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
５回の実験において各ポイントの温度再現性が１度以下で、温度分布が２度以下という良好な結果が得られた。
【００４４】
定電圧電源２３からの透明導電膜２１への供給電圧を、今回は４段階にしたが、条件によっては３段階、２段階も充分考えられ、さらなる昇温時間の短縮が図れると考えられる。この結果、定電圧電源からの供給電圧を所定値に設定すれば、被溶融物を溶融させる部位の温度は、再現性よく正確に制御することが可能であることがわかった。
【００４５】
トナーの溶融実験は、上記温度で安定した状態で、透明体ブロック２を移動させ、７０ミリ秒の衝突時間での観察を行った。図４は、このときの移動ステージ３の変位量Ｓと移動ステージ３によるトナーへの加圧力Ｐの変化を示す。このグラフから、トナー溶融時間が７０ミリ秒であることが確認できる。
【００４６】
この７０ミリ秒間のトナーの溶け広がり方すなわち溶融挙動をハイスピードカメラ４を用いてリアルタイム観察することができた。
【実施例２】
【００４７】
基台１の支持部１１に設置されたトナーは光沢紙上に搭載され、同軸落射照明光学系５のみで撮像し、観察した。ハイスピードカメラ４の設定は、１０００ｆｐｓで対物レンズ５２は５０倍を用いた。落射照明の光源には、１５０Ｗハロゲンランプを用いた。透明体ブロック２の透明石英ガラス２０のトナー衝突面に、透明ゴム２２が接着され、また反対面には、透明導電膜２１が成膜されている。透明石英ガラス２０は、４０ｍｍ角で厚み０．７ｍｍ、両面研磨された実施例１と同様な仕様のガラスである。透明ゴム２２の材質はＲＴＶを用いて、厚み３００μｍ、硬度４０度（ＪＩＳ  Ａコード）の特性を有するゴムを用いた。透明導電膜２１は、スパッタリングで成膜した、膜厚２００Å、膜厚分布５％以下、抵抗３０Ω・ｃｍ、透過率８６％以上の特性を有するＩＴＯ膜を用いた。透明体ブロック２によるトナーへの押し力は１．６Ｋｇ／ｃｍ2 、ゴム面での目標温度１２０度とした。
【００４８】
定電圧電源２３の設定出力電圧と経過時間、そしてその時のゴム面の各ポイントでの温度を調べた結果を表３に示す。２４０秒で目標温度１２０度に到達、飽和した。温度分布は、最高温度と最低温度の差が１．５度という良好な分布を得た。
【００４９】
【表３】
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【００５０】
この実験を繰り返し実施した結果、毎回実験ごとに安定して定電圧電源の供給電圧２２Ｖで１２０度±１度となった。これは実験で用いたトナーを溶融するには十分な温度／温度分布であり、所定温度の再現性がいいことがわかった。
【００５１】
表４は、実験を実施した日が違う温度測定データである。定電圧電源の最終設定電圧は２２Ｖで２４０秒後の各ポイント（４角、センターの５点）の到達温度を示した。
【００５２】
【表４】
2005147670.tif 000006
【００５３】
５回の実験において各ポイントの温度再現性が１度以下で、温度分布が２度以下という良好な結果が得られた。この結果、定電圧電源からの供給電圧を所定値に設定すれば、被溶融物を溶融させる部位の温度は、再現性よく正確に制御することが可能であることがわかった。
【００５４】
溶融実験は、上記温度で安定した状態で、透明体ブロック２を移動させ、７０ミリ秒の衝突時間での観察を行った。トナーの溶融状態が観察され、ゴムによるトナーの包み込み状態がハイスピードカメラを用いてリアルタイムで観察できた。
【実施例３】
【００５５】
基台１の支持部１１に設置されたトナーは光沢紙上に搭載され、落射照明だけで撮像し、観察した。ハイスピードカメラ４の設定は、１０００ｆｐｓで対物レンズ５２は５０倍を用いた。落射照明の光源には、１５０Ｗハロゲンランプを用いた。透明体ブロック２の構成は、透明石英ガラス２０のトナー衝突面には透明ゴム２２が接着され、反対面には、透明導電膜２１が成膜されている。透明石英ガラス２０は、４０ｍｍ角で厚み０．７ｍｍ、両面研磨された実施例１と同様な仕様のガラスである。透明ゴム２２の材質はＲＴＶを用いて、厚み３００μｍ、硬度４０度（ＪＩＳ  Ａコード）の特性を有するゴムを用いた。透明導電膜２１は、スパッタリングで成膜した、膜厚１５０Å、膜厚分布５％以下、抵抗１０Ω・ｃｍ、透過率８４％以上の特性を有するＩＺＯ膜を用いた。透明体ブロック２によるトナーへの押し力は１．６Ｋｇ／ｃｍ2 、ゴム面での目標温度１００度とした。
【００５６】
定電圧電源２３の設定出力電圧と経過時間、そしてその時のゴム面の各ポイントでの温度を調べた結果を表５に示す。２００秒で目標温度１００度に到達、飽和した。温度分布は、最高温度と最低温度の差が０．４度という良好な分布を得た。
【００５７】
【表５】
2005147670.tif 000007
【００５８】
この実験を繰り返し実施した結果、毎回実験ごとに安定して定電圧電源の供給電圧１６Ｖで１００度±１度となった。これは実験で用いたトナーを溶融するには十分な温度／温度分布であり、所定温度の再現性がいいことがわかった。
【００５９】
表６は、実験を実施した日が違う温度測定データである。定電圧電源の最終設定電圧は１６Ｖで２００秒後の各ポイント（４角、センターの５点）の到達温度を示した。
【００６０】
【表６】
2005147670.tif 000008
【００６１】
５回の実験において各ポイントの温度再現性が１度以下で、温度分布が１度以下という良好な結果が得られた。この結果、定電圧電源からの供給電圧を所定値に設定すれば、被溶融物を溶融させる部位の温度は、再現性よく正確に制御することが可能であることがわかった。
【００６２】
溶融実験は、上記温度で安定した状態で、透明体ブロック２を移動させ、７０ミリ秒の衝突時間での観察を行った。トナーの溶融状態が観察され、ゴムによるトナーの包み込み状態が実施例２と同様にハイスピードカメラ４を用いてリアルタイムで観察できた。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
上記の実施例はいずれも記録装置等に用いるトナーを被溶融物としたが、トナーに限らず、熱接着樹脂等に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施例１、２、３で用いた装置を示す模式図である。
【図２】透明石英ガラスの押さえ構造を示すもので、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の側面からみた一部断面立面図である。
【図３】透明石英ガラスの温度測定ポイントを示す図である。
【図４】実施例１による観察結果を示すグラフである。
【図５】一従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１    基台
２    透明体ブロック
３    移動ステージ
４    ハイスピードカメラ
５、６    照明光学系
７    押し力計測センサー
１０    ベース
１１    支持部
２０    透明石英ガラス
２１    透明導電膜
２２    透明ゴム
２３    定電圧電源
２４    熱電対
２５    温度計
【図１】
2005147670.tif 000009
【図２】
2005147670.tif 000010
【図３】
2005147670.tif 000011
【図４】
2005147670.tif 000012
【図５】
2005147670.tif 000013